工程光第七章

工程光第七章1第一页，共六十页，2022年，8月28日波长为380~780nm范围内的电磁波称为“可见光”研究电磁波辐射的测试、计量和计算的学科称为“辐射度学”研究可见光的测试、计量和计算称为“光度学”2第二页，共六十页，2022年，8月28日人眼的光学特性1、眼睛的结构——成像光学系统

人眼本身相当于摄影光学系统3第三页，共六十页，2022年，8月28日人眼的构造剖视图巩膜*巩膜是眼球的第一层保护膜，白色、不透明、坚硬；角膜*角膜是巩膜的最前端部分，无色而透明，折射率为1.3771；眼睛内的折射主要发生在角膜上；脉络膜*脉络膜是眼球的第二层膜，黑色，吸收透过视网膜的光线。上面有供给眼睛营养的网状微血管；4第四页，共六十页，2022年，8月28日人眼的构造剖视图巩膜角膜脉络膜虹膜*虹膜是脉络膜的最前端部分，含有色素细胞，决定眼的颜色；瞳孔*瞳孔是虹膜中间的小孔，随着外界明亮程度的不同，虹膜肌肉能使瞳孔的直径在2~8mm范围内变化；它是人眼的孔径光阑。5第五页，共六十页，2022年，8月28日人眼的构造剖视图巩膜角膜细胞，锥状细胞直径约5微米，长约35微米；杆状细胞直径约2微米脉络膜，长约60微米。它们在网膜上的分布式不均匀的。在黄斑中心凹处虹膜瞳孔视网膜*视网膜是眼球的第三层膜，上面布满着感光元素，即锥状细胞和杆状是锥状细胞的密集区而没有杆状细胞，由中心向外，逐渐相对变化；黄斑6第六页，共六十页，2022年，8月28日人眼的构造剖视图巩膜角膜

光脉络膜盲斑是网膜上没有感光元素的地方，不能引起光刺激。虹膜瞳孔视网膜黄斑是人眼视觉最灵敏的地方。视神经细胞晶状体在虹膜后面，是由两个不同曲率的面组成的透明体，黄斑神经纤维盲点大脑盲点晶状体7第七页，共六十页，2022年，8月28日人眼的构造剖视图巩膜角膜率都是不均匀的，由里层到外层逐渐减少，有利于提高脉络膜成像质量。晶状体的平均折射率为1.40，其周围是睫状肌虹膜瞳孔视网膜似双凸透镜，是眼睛光学系统的成像元件，其密度和折射

能改变晶状体的表面曲率，使人眼在看远近不同的物体时，总能将像成在视网膜上。黄斑中心凹

盲斑晶状体8第八页，共六十页，2022年，8月28日人眼的构造剖视图巩膜角膜角膜和晶状体之间的空间称为前室；充满1.3374的水状液；脉络膜

晶状体和网膜所包围的空间称为后室;充满1.336的玻状体虹膜瞳孔视网膜

黄斑中心凹

盲斑晶状体前室后室9第九页，共六十页，2022年，8月28日10第十页，共六十页，2022年，8月28日可见光光的辐射能中能引起人眼的视觉效应的区域。

这个区域从380纳米到780纳米。人眼观察辐射体时，其视觉强弱与辐射波长和辐射强度（某一方向）有关在可见光中不同波长的光所引起的视觉效应的灵敏度是不相同的在光度学中，为了表示这种差别，定义V(λ)为“视敏函数”（光谱光效率函数）。2视敏函数与颜色视觉11第十一页，共六十页，2022年，8月28日视见函数把人眼对黄光的视觉灵敏度作为基准，其它色光的视觉灵敏度与黄光的视觉灵敏度相比，得出各种色光的相对视觉灵敏度，称为视见函数，用V(λ)表示。把人眼最灵敏波长（λ=555nm）的视见函数规定为1，即V(555)=1V(λ)≤1不同人在不同观察条件下的视觉函数略有差别视见函数12第十二页，共六十页，2022年，8月28日13第十三页，共六十页，2022年，8月28日/nmV()4004505005506006507000.00.20.40.60.81.014第十四页，共六十页，2022年，8月28日颜色视觉15第十五页，共六十页，2022年，8月28日颜色视觉16第十六页，共六十页，2022年，8月28日颜色视觉颜

色

立

体17第十七页，共六十页，2022年，8月28日3、辐射度学通过电磁光谱来处理辐射能的测量。辐射度学主要研究频率为3×1011～3×1016Hz的光辐射，对应于0.01~1000μm微米的波长。波段范围包括红外、可见光、紫外线。18第十八页，共六十页，2022年，8月28日光度学与辐射度学类似，但它只处理人眼可感知的光，即可见光，波长范围为380～780nm(纳米)。波长450nm对应于蓝色，540nm对应于绿色，659nm对应于红色。19第十九页，共六十页，2022年，8月28日立体角的定义：

一个任意形状的封闭锥面所包含的空间称为立体角，用Ω表示。立体角的意义和它在光度学中的应用Ω20第二十页，共六十页，2022年，8月28日立体角定义图21第二十一页，共六十页，2022年，8月28日以锥体顶点为球心，任意r为半径作一球面，此锥体在球面上的截面为S，则立体角表示为22第二十二页，共六十页，2022年，8月28日

立体角单位：以锥顶为球心，以r为半径作一圆球，若锥面在原球上所截出的面积等于r2，则该立体角为一个“球面度”（sr）。整个球面的面积为4πr2,对于整个空间有即整个空间等于4π球面度23第二十三页，共六十页，2022年，8月28日立体角是平面角向三维空间的推广。在二维空间，2π角度覆盖整个单位圆。在三维空间，4π的球面度立体角覆盖整个单位球面。从一个球面上去处1球面度立体角的圆锥24第二十四页，共六十页，2022年，8月28日辐射度学中的基本量一、辐射通量辐射通量的定义：单位时间内辐射体所辐射的总能量，用Φe表示；其计量单位用功率单位瓦特。

表示了一个辐射体辐射的强弱辐射通量就是辐射体的辐射功率用辐射通量的光谱密集度来表示辐射体的辐射通量按波长分布的特性25第二十五页，共六十页，2022年，8月28日二、辐射强度辐射体在不同方向上的辐射特性用在给定方向上取立体角dΩ，在dΩ范围内的辐射通量为dΦe。把dΦe与dΩ之比称为辐射体在该方向上的“辐射强度”，Ie表示26第二十六页，共六十页，2022年，8月28日单位立体角内发出的辐射通量辐射强度的单位为瓦每球面度（W/sr）。dΦedΩ均匀点光源

27第二十七页，共六十页，2022年，8月28日三、辐（射）出射度、辐（射）照度辐射强度不能表示辐射体表面不同位置的辐射特性表示辐射体表面上任意一点A处的辐射强弱：假定dS微面辐射出的辐射通量为dΦe，则A点的辐（射）出射度为Me称为“辐（射）出射度”，单位为瓦每平方米（W/m2）AdΦedS28第二十八页，共六十页，2022年，8月28日如果某一物体表面被其它辐射体照射即为了表示A点被照射的强弱，假定物体所接受的辐射通量为dΦe，把dS接受的dΦe与dS之比称为“辐（射）照度”，符号为Ee，即辐（射）照度与辐（射）出射度的单位一样，也为瓦每平方米（W/m2）AdΦedS29第二十九页，共六十页，2022年，8月28日四、辐（射）亮度用辐（射）亮度来表示辐射体表面不同位置和不同方向上的辐射特性dS在AO垂直方向上的投影面积为dSnAdSNdΩOIeα30第三十页，共六十页，2022年，8月28日若在AO方向上的辐射强度为Ie，把Ie与dSn之比称为“辐（射）亮度”，符号为Le辐（射）亮度代表了辐射体不同位置和不同方向上的辐射特性。单位为瓦每球面度平方米（W/（sr.m2））。31第三十一页，共六十页，2022年，8月28日4光度学中的基本量

光通量:光通量

是描述客观辐射通量所引起的人眼视觉强弱的物理量

.（由V(λ)折算）光通量的单位是流明（lm）一只40W白炽灯的全部辐射的光通量为500lm，而40W的荧光灯的全部辐射约为2300lm在某一波长λ附近，对于间隔为dλ的单色光而言。最大光视效能：683lm/W32第三十二页，共六十页，2022年，8月28日4光度学中的基本量

发光强度:光源在给定方向的立体角dΩ内传输的光通量dΦ与该立体角元之商。

发光强度的单位为坎（德拉）（cd）对于均匀点光源33第三十三页，共六十页，2022年，8月28日1cd（坎德拉）代表发光体发出的电磁波频率为540X1012Hz的单色辐射（波长为555nm），且在此方向上的辐射强度为（1/683）W/sr。1坎德拉等于光源在1个立体弧度内产生1流明的光通量坎德拉是光度学中最基本的单位，也是国际基本计量单位之一。光通量dΦ的单位为流明（lm）1lm表示在某一方向上的发光强度为1cd的发光体在单位立体角内的通光量，即34第三十四页，共六十页，2022年，8月28日光出射度和光照度用光出射度M来表示A点处的发光强弱指发光表面单位面积内所发出的光通量，它与辐（射）出射度相对应当发光表面均匀发光时，其光出射度为反之，当某一表面被发光体照明，用光照度E来表示被照明表面A处的照明强弱在均匀照明情况下35第三十五页，共六十页，2022年，8月28日光照度表示被照明的表面单位面积上所接收的光通量。它与辐射度学中的辐（射）照度相对应。它们的单位为勒克斯（lx）。1lx等于1m2面积上发出或接收1lm的光能量，即：36第三十六页，共六十页，2022年，8月28日AdSNdΩOIα光亮度前面所讲的概念并不能表示发光面不同方向的发光特性。用光亮度来表示发光表面不同位置和不同方向的发光特性。在该方向上单位投影面积的发光强度。37第三十七页，共六十页，2022年，8月28日L表示发光面上A点处在AO方向上的发光特性光亮度等于发光表面上某点周围的微面在给定方向上的发光强度除以该微面在垂直于给定方向的投影面积光亮度L与辐射度学中的辐亮度相对应。光亮度的单位为坎（德拉）/米2（cd/m2）或尼特光亮度表示发光面上单位投影面积在单位立体角内所发出的光通量38第三十八页，共六十页，2022年，8月28日光度量与辐射度量的关系39第三十九页，共六十页，2022年，8月28日朗伯余弦定律40第四十页，共六十页，2022年，8月28日余弦辐射体

余弦辐射体可能是白发光面，如绝对黑体、平面灯丝钨灯等，也可能是透射成反射体受光照射经透射或反射形成的余弦辐射体，称做漫透射体和漫反射体；乳白玻璃是漫透射体。41第四十一页，共六十页，2022年，8月28日照度距离平方反比定律点光源在被照表面上形成的照度与被照面到光源距离的平方成反比。这就是照度平方反比定律。42第四十二页，共六十页，2022年，8月28日光能传播定律光在同一介质中传播，忽略散射及吸收，则在传播中的任一截面上，光通量与亮度不变。光束的亮度就是光源的亮度。

元光管：两个面积很小的截面构成的直纹曲面包围的空间。

当光在元光管内传递时，没有能量的损失。即有：43第四十三页，共六十页，2022年，8月28日光学成像系统像面的光照度现在假设物体为余弦辐射体（L是定值），则物体发出的充满入瞳的光通量可表示为：

一、轴上像点（小视场、大孔径，例如：望远镜）

44第四十四页，共六十页，2022年，8月28日光学成像系统像面的光照度像面上的照度为：

45第四十五页，共六十页，2022年，8月28日二、轴外像点光照度（大视场系统）

随着像方视场的增大／所分析的像点越来越远离轴上像点，其轴外像点照度下降非常的快。

46第四十六页，共六十页，2022年，8月28日5、色度学基础47第四十七页，共六十页，2022年，8月28日5、色度学基础48第四十八页，共六十页，2022年，8月28日5、色度学基础（1）人的视觉只能分辨颜色的三种变化:色调、明度、饱和度。（2）两种色光组成的混合色光中，如果一个成份连续地变化，混合色光的颜色也连续变化。（3）引起人眼颜色感觉相同的光，不管它们的光谱组成是否一样，在颜色混合中具有相同的效果。（4）混合色的总亮度等于组成混合色的各种颜色光的亮度总和。格拉斯曼定律49第四十九页，共六十页，2022年，8月28日色温<3300K温暖（带红的白色）稳重、温暖3000－5000K中间（白色）爽快>5000K清凉型（带蓝的白色）